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石墨烯量子霍爾效應(yīng):載流子類型依賴性及其計量學(xué)應(yīng)用

蘇州埃利測量儀器有限公司 ? 2025-09-29 13:47 ? 次閱讀
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石墨烯因其零帶隙能帶結(jié)構(gòu)和高載流子遷移率,在量子霍爾效應(yīng)研究中具有獨特優(yōu)勢。然而,基于碳化硅襯底的石墨烯(SiC/G)器件中,n型與p型載流子的輸運性能差異顯著。Xfilm埃利測量作為電阻檢測領(lǐng)域的創(chuàng)新引領(lǐng)者,依托ECOPIA 霍爾效應(yīng)測試儀HMS-3000的高精度量測能力,系統(tǒng)研究了SiC/G器件中n型與p型載流子的輸運性能差異,并評估了其在量子計量中的應(yīng)用潛力,為器件優(yōu)化提供了理論支持。

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單層石墨烯的整數(shù)量子霍爾效應(yīng)示意圖


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實驗設(shè)計與低溫輸送性能對比

/Xfilm


通過雙層PMMA摻雜工藝調(diào)控F4TCNQ?陰離子吸附量,制備載流子濃度相近的n型和p型SiC/G器件(載流子濃度:5×101?cm?2)。在5K低溫與9T磁場下,兩類器件均表現(xiàn)出整數(shù)量子霍爾效應(yīng)(IQHE),霍爾電阻穩(wěn)定于量子化值RH=h/(2e2),縱向電阻趨近于零。但p型器件進入量子霍爾態(tài)所需的臨界磁場(Bc)顯著高于n型(p型比n型高1.2T)。n型器件遷移率(μ)始終優(yōu)于p型,且在載流子濃度升高時,μ下降趨勢更平緩(n型:Δμ≈20%,p型:Δμ≈35%)。

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n型與p型器件的霍爾電阻和縱向電阻隨磁場變化曲線


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載流子類型依賴性的物理機制

/Xfilm


p型器件性能劣化源于摻雜誘導(dǎo)的強散射效應(yīng):

散射機制:初始SiC/G材料具有本征電子摻雜特性,制備p型器件需通過F4TCNQ?陰離子吸附中和電子并誘導(dǎo)空穴導(dǎo)電,導(dǎo)致表面負電荷密度升高(實驗值:n型摻雜濃度≈1×1012cm?2,p型≈3×1012cm?2)。

理論計算(基于Born近似散射模型):p型空穴與F4TCNQ?陰離子的庫侖吸引力使散射截面比n型高3倍(σp/σn≈3:1),而n型電子因托馬斯-費米屏蔽效應(yīng)減弱排斥作用。

實驗驗證:p型器件遷移率僅為n型的1/3。

量子相干性破壞:弱局域化分析顯示,p型器件的相位相干長度(Lφ)隨溫度升高按Lφ∝T-0.5規(guī)律衰減,在10K時Lφ=0.6μm,僅為n型(1.2μm)的50%,表明其量子相干性受非彈性散射顯著破壞。

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F4TCNQ?陰離子對電子和空穴的散射截面理論計算結(jié)果


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變溫輸送行為與計算應(yīng)用潛力

/Xfilm


在5–100K溫區(qū)內(nèi),兩類器件均維持填充因子ν=±2的量子霍爾平臺(霍爾電阻穩(wěn)定于h/(2e2),縱向電阻趨零),但差異表現(xiàn)為:

臨界磁場溫度依賴性:p型器件的Bc差值隨溫度升高擴大(5K時ΔB=1.2T,30K時ΔB=2.2T),與熱激發(fā)導(dǎo)致散射增強的理論模型一致。

熱穩(wěn)定性對比:在6T磁場下,p型器件的剩余電阻率隨溫度升高急劇上升(50K時ρp=300Ω),遠超n型(ρn=60Ω),證實其熱穩(wěn)定性劣化。

局域化效應(yīng):變程跳躍模型分析顯示,p型局域化長度(ξp=97nm)遠大于n型(ξn=30nm),反映其更強的朗道能級展寬(源于高濃度散射中心的非均勻勢場)。

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n型p型器件變溫對比


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ECOPIA霍爾效應(yīng)測試儀 HMS-3000

/Xfilm


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ECOPIA霍爾效應(yīng)測試儀HMS-3000是一款專業(yè)用于半導(dǎo)體材料電學(xué)特性分析的高精度儀器。該儀器可精準(zhǔn)測量載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù),這些參數(shù)是表征半導(dǎo)體材料電學(xué)性能的核心指標(biāo)。

高精度恒流源(1nA~20mA),適應(yīng)不同材料的測試需求

六級電流精細分級,最大限度降低誤差,確保測量準(zhǔn)確性

低噪聲測量技術(shù):范德堡法則轉(zhuǎn)換+非接觸式設(shè)計,有效抑制儀器噪聲,提升信號純凈度

借助ECOPIA霍爾效應(yīng)測試儀HMS-3000的高精度測量,精準(zhǔn)表征了載流子濃度、遷移率等關(guān)鍵參數(shù),為器件優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支撐。Xfilm埃利測量作為量測技術(shù)引領(lǐng)者,助力集成電路新能源領(lǐng)域突破技術(shù)瓶頸,為半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展注入創(chuàng)新動能。

原文出處:《石墨烯量子霍爾效應(yīng)及其在量子電阻計量芯片中的應(yīng)用》

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